Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG 1.1 Giới thiệu chung Robot 1.1.1 Lịch sử đời phát triển Robot Từ thập niên 50, với phát triển kỹ thuật điều khiển theo chương trình số NC (Numerical Control) với hỗ trợ cấu Servo hệ điện toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với cấu điều khiển từ xa hình thành triển khai nghiên cứu Vào năm 50, bên cạnh tay máy chép hình khí, xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ tay máy Minotaur I tay máy Handyman General Electric Năm 1954 George C.Devo thiết kế thiết bị có tên “Cơ cấu lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol với Joseph F.Engelber, kỹ sư công nghiệp hàng không, tạo loại Robot công nghiệp năm 1969 công ty Unimation bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot Từ năm 1972 bắt đầu thời kỳ Robot hệ thứ hai: Robot điểu khiển máy tính có quan cảm xúc cảm biến liên hệ ngược Đại diện cho hệ Robot Shakey viện nghiên cứu Stanford Nó thể tổng hợp thành tựu Khoa học - Kỹ thuật Cơng nghệ Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học Robot bắt đầu ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực: từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học,cả y tế đời sống hàng ngày Năm 1976 máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer đời Trong giai đoạn năm 80 90 với phát triển vũ bão Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ, quy mô sản xuất nghiên cứu khoa học, giới thừa hưởng nhiều thành nó, đặc biệt máy tính tin học làm thay đổi chất trang thiết bị, tổ chức điều hành sản xuất đời sống như: + Thiết kế với trợ giúp máy tính - CAD + Sản xuất với trợ giúp máy tính - CAM + Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt - FMS + Sản xuất tích hợp máy tính - CIM + Sản xuất lúc JIT + Điều hành quản lý chất lượng toàn diện - TQM + Sản xuất với chiến lược toàn cầu - WCM Những năm kỷ 21, Robot bước sang hệ Từ Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) đến kiểu Dẫn Dạy, kiểu điều khiển đựợc gọi chung điều khiển có chương trình -1- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại dẫn đường Robot kiểu thường gọi Robot khéo léo (Robot Habilis) Tiếp đến Robot có trình điều khiển thích nghi - thơng minh, Robot có trí khơn (Robot Spiens) Sự tiến Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần thuộc lĩnh vực Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học thể phát triển Robot Những ứng dụng Robot vào y học kể Robot phẫu thuật thay quan hoạt động người, để mô loại sinh vật Những kết qủa tiến Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất năm 1970 hình thành khoa học Roboties Cơ - Điện tử (Mechatronics), từ bắt đầu đào tạo chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot Cơ - Điện tử Trong năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu dùng cho thao tác lặp lại nhiều lần môi trường nguy hiểm Xu hướng người chế tạo robot thông minh, giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Mặc dù có nhiều lỗ lực để phát triển robot thơng minh, loại robot mô nhiều chức người hạn chế định, đòi hỏi phát triển cơng nghệ trí tuệ nhân tạo 1.1.2 Robot có cấu trúc song song a) Giới thiệu chung Xuất phát từ nhu cầu khả linh hoạt hóa sản xuất, cấu Robot ngày phát triển đa dạng phong phú Trong thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song Gough Whitehall nghiên cứu năm 1962 ý ứng dụng Robot cấu trúc song song khởi động Stewart vào năm 1965 Ông người cho đời buồng (phòng) tập lái máy bay dựa cấu song song Hiện cấu song song sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay gọi số chân Thường số chân số bậc tự do, điều khiển nguồn phát động đặt giá cố định chân Chính lý mà Robot song song gọi Robot có bệ Các cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cấu chấp hành song song thường có khả chịu tải lớn Do tính ưu việt Robot song song nên ngày thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời ứng dụng ngày rộng rãi vào nhiều lĩnh vực: + Ngành Vật lý : Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo xác -2- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại + Ngành Cơ khí : Máy gia cơng khí xác,máy cơng cụ + Ngành Bưu viễn thơng : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh + Ngành chế tạo ôtô : Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô + Ngành quân : Robot song song dùng làm bệ đỡ ổn định đặt tàu thủy, cơng trình thủy, xe, máy bay, chiến xa tàu ngầm Để giữ cân cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tầu chiến b) Một số ưu nhược điểm Robot song song Nhìn chung, tất lọai Robot có cấu trúc song song có nhiều ưu điểm ứng dụng nhiều lĩnh vực, mơ hình máy bay, khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, máy khai thác mỏ - Ưu điểm : + Khả chịu tải cao: thành phần cấu tạo nhỏ nên khối lượng thành phần nhỏ + Độ cứng vững cao kết cấu hình học chúng: Tât lực tác động đồng thời chia sẻ cho tất chân Cấu trúc động học cách đặc biệt khớp liên kết cho phép chuyển tất lực tác dụng thành lực kéo/nén chân + Có thể thực thao tác phức tạp họat động với độ xác cao: với cấu trúc song song, sai số phụ thuộc vào sai số dọc trục cụm cấu chân riêng lẻ sai số khơng bị tích lũy + Có thể thiết kế kích thước khác + Đơn giản hóa cấu máy giảm số lượng phần tử chân khớp nối thiết kế sẵn thành cụm chi tiết tiêu chuẩn + Cung cấp khả di động cao trình làm việc có khối lượng kích thước nhỏ gọn + Các cấu chấp hành định vị + Tầm hoạt động Robot cấu song song rộng từ việc lắp ráp chi tiết cực nhỏ tới chuyển động thực chức phức tạp, đòi hỏi độ xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp + Các Robot cấu song song làm việc khơng cần bệ đỡ di chuyển tới nơi mơi trường sản xuất Chúng làm việc thuyền treo trần, tường + Giá thành Robot song song ứng dụng gia cơng khí so với máy CNC có tính tương đương -3- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại - Nhược điểm: Tuy nhiên Robot song song có nhược điểm định so sánh với Robot chuỗi như: + Khoảng không gian làm việc nhỏ khó thiết kế + Việc giải toán động học, động lực học phức tạp + Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) không gian làm việc 1.2 Cấu trúc Robot song song 1.2.1 Cấu trúc cấu Cũng Robot thông thường, Robot song song loại Robot có cấu trúc vịng kín khâu (dạng thanh) nối với khớp động Sơ đồ động cấu tay máy thông thường chuỗi nối tiếp khâu động, từ khâu (là khâu trực tiếp thực thao tác công nghệ) đến giá cố định Còn Robot song song, khâu cuối nối với giá cố định số mạch động học, tức nối song song với hoạt động song song với Sự khác sơ đồ động tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt động học động lực học 1.2.2 Khâu, khớp, chuỗi động máy cấu Robot song song - Khâu : Là phần có chuyển động tương phần khác cấu Chúng ta coi tất khâu vật rắn Điều làm cho việc nghiên cứu cấu, Robot dễ dàng đơn giản Tuy nhiên, với cấu tốc độ cao mang tải lớn tượng đàn hồi vật liệu trở nên quan trọng đáng kể phải xét đến - Khớp : Là chỗ nối động hai khâu Tùy theo cấu trúc, khớp hạn chế số chuyển động hai khâu Bề mặt tiếp xúc khâu khớp gọi thành phần khớp Hai thành phần khớp tạo thành khớp động Khớp động phân thành khớp thấp khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc + Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc mặt + Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc điểm đường Có loại khớp thấp hai loại khớp cao thường dùng cấu máy Robot, là: + Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay khâu khâu khác quanh trục quay Nghĩa khớp quay hạn -4- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại chế khả chuyển động hai thành phần khớp có bậc tự Khớp quay thường gọi khớp quay lề + Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt theo trục Do đó, khớp lăng trụ hạn chế khả chuyển động tương đối hai khâu có bậc tự Người ta thường gọi khớp lăng trụ khớp tịnh tiến + Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập, gồm chuyển động quay quanh trục chuyển động tịnh tiến dọc trục quay Do đó, khớp trụ hạn chế khả chuyển động hai khâu có hai bậc tự + Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bước ren vít Do đó, khớp ren hạn chế chuyển động tương đối hai khâu lại bậc tự + Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực chuyển động quay hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất hướng, khơng có chuyển động tịnh tiến hai thành phần khớp Do đó, khớp cầu hạn chế khả chuyển động có ba bậc tự + Khớp phẳng (Plane Joint - E) : Cho hai khả chuyển động tịnh tiến theo hai trục mặt tiếp xúc khả quay quanh trục vng góc với mặt phẳng tiếp xúc Do đó, khớp phẳng hạn chế bậc tự có ba bậc tự + Khớp bánh phẳng (Gear Pair - G) : Cho hai bánh ăn khớp với Các mặt tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt Do đó, khớp bánh phẳng hạn chế khả chuyển động tương đối hai thành phần khớp, lại hai bậc tự + Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự khớp bánh răng, hai thành phần khớp ln tiếp xúc với Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu khớp phẳng khớp thấp Khớp bánh phẳng khớp cam phẳng khớp cao - Chuỗi động : Là tập hợp khâu nối với khớp động Robot nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, cịn Robot song song có cấu trúc chuỗi kín Chuỗi động học gọi cấu khâu giá cố định Trong cấu có nhiều khâu ấn định khâu dẫn với thông số cho trước Sự chuyển động khâu dẫn độc lập, chuyển động khâu khác phụ thuộc vào chuyển động khâu dẫn Cơ cấu thiết bị truyền chuyển động từ hay nhiều khâu dẫn tới khâu khác -5- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại - Máy móc : Gồm nhiều cấu, với thành phần điện, thủy lực và/hoặc khí nén, dùng để biến đổi lượng bên thành dạng lượng khác Cơ cấu chấp hành hệ thống robot cấu Để cấu trở thành máy cần phải có điều khiển dựa vi xử lý, mã hóa và/hoặc cảm biến lực, với phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát, phối hợp với để chuyển đổi lượng bên ngồi thành cơng hữu ích Mặc dù máy gồm nhiều cấu, cấu máy, không thực cơng, có chức truyền chuyển động 1.2.3 Bậc tự Robot cấu trúc song song Xét hai vật thể (hay hai khâu) A B để rời không gian Gắn vào A hệ tọa độ Đề Oxyz (Hình I.1) B có khả chuyển động tương đối so với A, hay nói cách khác A B có khả chuyển động tương đối, ta gọi bậc tự tương đối Các khả chuyển động độc lập : - Các chuyển động tịnh tiến dọc trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu Tx, Ty, Tz - Các chuyển động quay quanh trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu Rx, Ry, Rz Z Tz B Rz A Ry Rx X Y Ty Tx Hình 1.1: Các khả chuyển động tương đối hai vật thể Định nghĩa: Bậc tự cấu số thông số độc lập tuyến tính cần thiết hồn tồn xác định vị trí cấu Ta xác định biểu thức tổng quát số bậc tự cấu theo số khâu, số khớp, kiểu khớp cấu Để thơng cho việc tính tốn số bậc tự cấu,ta sử dụng kí hiệu sau: ci: Số ràng buộc khớp i -6- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại F: Số bậc tự cấu fi: Số chuyển động tương đối phép khớp i j: Số khớp cấu ji: Số khớp với i bậc tự L : Số vòng độc lập cấu n : Số khâu cấu, kể khâu cố định λ: Số bậc tự không gian làm việc cấu Ta giả thiết tất khớp hai chiều, khớp ba chiều coi hai khớp hai chiều, khớp bốn chiều coi ba khớp hai chiều, Ngồi ra, cịn giả thiết giá trị λ dùng cho chuyển động tất khâu chuyển động, chúng vận hành không gian làm việc, λ=6 cấu khơng gian, λ = cấu phẳng cấu cầu Giá trị bậc tự cấu số bậc tự tất khâu hoạt động trừ số ràng buộc khớp Do đó, khâu tự do, số bậc tự cấu n - khớp , với khớp cố định, λ( n-1 ) j Tuy nhiên, tổng ràng buộc khớp ∑ i =1 ci , giá trị bậc tự cấu tính theo phương trình: j f = λ (n − 1) − ∑ ci (1.1) i =1 Số ràng buộc khâu số bậc tự khâu thơng số chuyển động λ, : λ = ci + fi (1.2) Do tổng ràng buộc khâu là: j j j ∑ c = ∑ (λ − f ) = j λ − ∑ f i =1 i i =1 i i =1 i (1.3) Thay phương trình ( 1.3) vào phương trình (1.1) ta được: j f = λ (n − j − 1) − ∑ fi (1.4) i =1 u bler Kutzbach Phương trình (1.4) gọi tiêu chuẩn Gr && u bler cho trường hợp ràng buộc khớp Tiêu chuẩn Gr && độc lâp khơng dư Ví dụ khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay có trục xuyên qua tâm khớp cầu tạo bậc tự thừa Kiểu bậc tự gọi bậc tự thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự quanh trục xác định từ hai khớp Mặc dù khâu trung gian có khả -7- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại truyền lực momen chuyển động cho khâu khác, khơng có khả truyền momen cho trục thụ động Nói chung, khâu hai chiều vơi cặp S-S, S-E, E-E có bậc tự thụ động Bảng sau thống kê phối hợp khâu loại hai chiều với khớp S-S, S-E, E-E với khớp cuối chúng có bậc tự STT Kiểu Bậc tự thụ động (thừa) S-S Quay quanh trục qua tâm khớp cầu S-E Quay quanh trục qua tâm khớp cầu vng góc với mặt phẳng khớp phẳng E-E Trượt dọc trục song song với giao tuyến tạo mặt phẳng khớp phẳng Nếu hai mặt phẳng song song có ba bậc tự thụ động ( thừa ) Bậc tự thụ động truyền momen chuyển động cho trục thụ động Khi có khớp loại tồn cấu, cần trừ bậc tự từ phương trình tinh bậc tự Giả sử, fp số bậc tự thụ động cấu số bậc tự chủ động cấu là: j f = λ (n − j − 1) − ∑ fi − f p (1.5) i =1 Ví d: C cu khụng gian Stewart - Gough Bàn má y động S Khớ p cầu P Khớ p lă ng trụ S Khớ p cầu Đ ế cố định -8- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Hình 1.2: Cơ cấu khơng gian Stewart - Gough Là cấu khơng gian gồm có bàn máy động nối với đế cố định sáu chân trượt thông qua khớp cầu Mỗi chân tạo thành từ hai khâu, nối với khớp lăng trụ Cấu trúc gọi cấu trúc S - P - S Do phối hợp S - P - S, nên chân có bậc tự thừa Từ hình vẽ ta có : λ =6, n=14, ji =6, j3 = 12, fp =6 Số bậc tự cấu tính theo phương trình (1.5) : f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - = Sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự cho cấu khơng gian có nói tới giá trị λ cho tất khâu di chuyển, tính bậc tự cho cấu phẳng cấu cầu xem hệ hệ không gian nên cần phải ý tới thông số Đặc biệt, λ =3 với cấu phẳng cấu cầu, cịn với cấu khơng gian λ =6 u bler có f > cấu có f bậc tự Nếu f=0, Nói chung tiêu chuẩn Gr && cấu khơng có bậc tự do, nghĩa cấu lúc trở thành giàn tĩnh định Nếu f < 0, cấu có số ràng buộc thừa Tuy nhiên, có cấu khơng tn theo tiêu chuẩn Grubler Các cấu đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt tính linh động cao gọi cấu thắng ràng buộc Đối với cấu vịng kín cấu chấp hành, số lượng vị trí khớp phát động phải chọn cách cẩn thận cho khâu tác động cuối phải điều khiển theo yêu cầu Nói chung số khớp phát động phải số bậc tự cấu, vị trí khớp phát động phải chọn cho chúng tạo thành tập hợp toạ độ độc lập Nếu số lượng khâu phát động nhỏ số bậc tự chuyển động khâu phải theo toạ độ tương ứng ràng buộc động học chúng Một robot có bậc tự dư cho phép điều khiển linh hoạt 1.2.4 Các toán robot Robot ngành khoa học công nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết ứng dụng hệ thống robot Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề nghiên cứu lý thuyết ứng dụng, vấn đề chia thành lĩnh vực : công tác thiết kế robot, học cấu, thiết kế quĩ đaọ điều khiển, cơng tác lập trình tri thức cho máy Cơ học nhánh khoa học nghiên cứu vấn đề lượng, lực tác dụng chúng chuyển động hệ thống khí Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với : Động học động lực học a) Động học Động học nghiên cứu đặc trưng chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây chúng lực mômen Sự thay đổi khâu -9- Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại robot liên quan đến hướng vị trí khâu chấp hành cuối ràng buộc khớp Những quan hệ động học trọng tâm việc nghiên cứu động học robot Bài toán phân tích động học chia thành hai dạng : Bài toán động học thuận Bài toán động học ngược B tốn động học thuận : Từ thơng số vị trí, vận tốc gia tốc khâu dẫn ,u cầu lập trình tính tốn vị trí hướng, vận tốc gia tốc điểm tác động cuối khâu trung gian Bài toán động học ngược : Từ yêu cầu vị trí hướng, vận tốc gia tốc khâu tác động cuối, tìm thơng số tương ứng khâu trước (bài tốn động học ngược) b) Động lực học Động lực học nghiên cứu quan hệ lực tác dụng vào cấu (lực, tải trọng ma sát ) chuyển động cấu Động lực học robot vấn đề phức tạp đối tượng nghiên cứu tiếp tục 1.3 Phân loại robot Robot phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ thống truyền động, dạng hình học chi tiết gia cơng, đặc tính chuyển động - Phân loại theo số bậc tự Sơ đồ phân loại robot thường dùng theo số bậc tự Một cách lý tưởng, cấu chấp hành phải có bậc tự để xử lý đối tượng cách tự không gian ba chiều Theo quan điểm này, robot đa có bậc tự do, robot dư có bậc tự robot thiếu có bậc tự Robot dư có thêm bậc tự để di chuyển qua chướng ngại vật vận hành không gian hẹp Mặt khác, số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp chi tiết mặt phẳng, robot bốn bậc tự đủ - 10 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Hình 1.3: Robot loại Fanuc bậc tự F F B B A A - 11 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Tay máy REVOLUTE F Tay máy POLAR A B 1 B A Tay máy CYLINDRICAL Tay máy CARTERSIAN B F A Tay máy SCARA Hình 1.4: Mơ hình số loại tay máy thông dụng - Phân loại theo cấu trúc động học Robot gọi robot nối tiếp cấu trúc động học có dạng chuỗi vịng hở, robot song song có chuỗi vịng kín, robot lai có chuỗi vịng hở vịng kín - Phân loại theo hệ thống truyền động Có ba hệ truyền động phổ biến điện, thuỷ lực, khí nén dùng cho robot Hầu hết cấu chấp hành sử dụng động bước động trợ động DC, chúng tương đối dễ điều khiển Tuy nhiên, cần tốc độ cao khả mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực khí nén Nhược điểm truyền động thuỷ lực khả rị rỉ dầu Ngồi - 12 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại ra, truyền động khí nén có tính linh hoạt cao Mặc dù truyền động khí nén nhanh khó điều khiển khơng khí lưu chất nén Trong cấu nối tiếp, nói chung tác động dùng để điều khiển chuyển động khớp Nếu khâu chuyển động truyền động tác động lắp khâu trước thơng qua hộp giảm tốc, dịch chuyển khâu mặt động học độc lập với khâu khác, cấu chấp hành nối tiếp qui ước Mặt khác, khớp truyền động trực tiếp tác động khơng có hộp giảm tốc, cấu gọi cấu chấp hành truyền động trực tiếp Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động nhỏ hơn, làm giảm qn tính cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp bánh hộp giảm tốc gây sai số vi trí phận tác động Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục vấn đề bánh tăng tốc độ cho cấu chấp hành Tuy nhiên, động truyền động trực tiếp tương đối lớn nặng Do đó, chúng thường dùng để truyền động khớp thứ cấu chấp hành, động lắp đế Nói chung, động nắp đế để truyền động khớp thứ hai khớp thứ ba thông qua đai kim loại khâu đẩy Một số cấu chấp hành sử dụng bánh răng, xích đĩa xích để truyền động khớp Khi sử dụng hệ thống truyền động cho cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển khớp phụ thuộc lẫn Các cấu chấp hành kiểu gọi vịng kín - Phân loại theo dạng hình học khơng gian làm việc Khơng gian làm việc cấu chấp hành xác định thể tích khơng gian đầu tác động với tới Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa không gian làm việc Thứ không gian với tới, thể tích khơng gian cấu tác động với tới điểm theo chiều Thứ hai khơng gian linh hoạt, thể tích khơng gian cấu tác động với tới điểm theo chiều Khơng gian linh hoạt phần khơng gian với tới Mặc dù điều kiện cần, nhiều cấu chấp hành nối tiếp thiết kế với ba khâu đầu dài khâu cịn lại Do ba khâu dùng chủ yếu để thao tác vị trí, khâu cịn lại dùng để điều khiển hướng đầu tác động Vì lý đó, ba khâu đầu gọi cánh tay, khâu lại gọi cổ tay Trừ cấu chấp hành với số bậc tự lớn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự Hơn nữa, cổ tay thường thiết kế với trục khớp cắt điểm chung gọi tâm cổ tay Bộ cánh tay có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo biên làm việc khác nhau, gọi vùng không gian làm việc Không gian nhà sản xuất robot cung cấp thường xác định theo vùng không gian làm việc - 13 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Tay máy gọi robot trụ khớp thứ khớp thứ hai robot Decartes thay khớp quay(Hình 1.4) Tay máy gọi robot cầu hai khớp đầu khớp quay khác khớp thứ ba khớp lăng trụ (Hình 1.4 - tay máy SCARA) Vị trí tâm cổ tay robot cầu tập hợp tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối Do không gian làm việc robot cầu giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm Tay máy gọi robot quay ba khớp khớp quay Không gian làm việc robot phức tạp thường có tiết diện hình xuyến Nhiều robot cơng nghiệp loại robot quay (Hình 1.4 - tay máy REVOLUTE) 1.6 Một số ứng dụng robot công nghiệp Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều xuất phát từ ưu điểm robot, là: + Robot thực qui trình thao tác hợp lý người thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì robot góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn thế, robot cịn nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi với biến đổi mẫu mã, kích cỡ sàn phẩm theo yêu cầu thị trường cạnh tranh + Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng robot giảm đáng kể chi phí cho người lao động + Việc áp dụng robot làm tăng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ tăng nhịp độ khẩn trương dây chuyền sản xuất, khơng thay người robot người thợ khơng thể theo kịp chóng mệt mỏi + Ứ ng dụng robot cải thiện điều kiện lao động Đó ưu điểm bật mà chùng ta cần lưu tâm Trong thực tế sản xuất có nhiều nơi người lao động phải làm việc suốt buổi môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực ồn mức cho phép nhiều lần, chí phải làm việc mơi trường độc hại, nguy hiểm tới sức khoẻ người, dễ xảy tai nạn 1.5 Phân loại robot song song Một robot song song gọi đối xứng thoả mãn điều kiện sau: - 14 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại + Số chân số bậc tự bàn máy động + Số khớp loại khớp tất chân xếp giống + Số khâu hoạt động vị trí khâu hoạt động tất chân Khi điều kiện không thoả mãn robot gọi robot khơng đối xứng Chú ý robot đối xứng có số chân tự ( m ) số bậc tự ( F ) với tổng số vòng L+1 Ta có: m = f = L +1 m j k =1 i =1 (1.6) ∑ Ck = ∑ f i m ∑C k =1 k (1.7) = (λ + 1) f − λ (1.8) f ≤ Ck ≤ λ (1.9) Trong đó: m: Số chân robot f : Số bậc tự robot L: Số vịng đóng độc lập cấu Ck : Số khả nối động chân, số chuyển động chân i fi : Số khả chuyển động cấu hay bậc tự khớp thứ j : Số khớp cấu, bao gồm tất khớp λ : Số bậc tự không gian mà cấu hoạt động 1.5.2 Các robot song song phẳng Với robot song song phẳng ta có λ =3, m =f =3 thay vào phương trình (1.8) ta được: C1+C2+C3 = 4f -3 =9 Đồng thời phương trình (1.9) lúc có dạng: ≤ Ck ≤ - 15 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Do chân có ba bậc tự khớp tạo nên chúng Tóm lại, chân gồm hai khâu ba khớp , khớp cần có bậc tự khớp Sử dụng khớp quay khớp trượt làm cặp đôi khớp, ta nhận bẩy loại chân chấp nhận được, RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PPR, PPP Do ta giới hạn cấu trúc chân robot có bẩy loại thuộc lớp robot song song phẳng tự thực Hình 5: Robot song song phẳng bậc tự với cấu trúc chân RRR C H F E BƯ chun ®éng P I R A G B P Đ ế cố định D Hình 1.6: Cơ cấu chấp hành song song PRP Hình 1.5 minh họa cấu chấp hành song song phẳng ba bậc tự dùng cấu trúc chân PRP; Hình 1.6 minh hoạ cấu chấp hành song song bậc tự phẳng có cấu trúc nhánh PRP, trục khớp quay vng góc với mặt phẳng chuyển động trục khớp lăng trụ nằm mặt phẳng chuyển động 1.5.3 Các robot song song cầu - 16 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Các cấu cầu có ba bậc tự Do yêu cầu liên kết cấu chấp hành song song cầu giống cấu chấp hành song song phẳng Trong cấu chấp hành liên kết cầu, loại khớp phép khớp quay, tất trục khớp phải giao điểm chung, tâm hình cầu, cấu trúc nhánh phép cấu trúc RRR Cơ cấu chấp hành hình 1.7 cấu chấp hành song song cu 3RRR, bc t B1 Bàn má y ®éng B3 C3 B2 C1 A3 O C2 A1 Đ ế cố định A2 Hình 1.7: Cơ cấu chấp hành kiểu cầu RRR Chú ý, khớp cầu lắp tâm cấu chấp hành song song cầu Tuy nhiên, khớp cầu khớp thụ động, tác động hữu khơng thể truyền động cho khớp Vì thế, dùng khớp cầu, cần có thêm nhánh để tác động song song với bệ chuyển động Trong trường hợp này, số nhánh, kể nhánh với khớp cầu thụ động 0, khác với số bậc tự 1.5.4 Các robot song song không gian Đối với robot song song khơng gian, thay λ = vào phương trình (1.8) (1.9) ta có: m ∑C k = 7F − (1.10) k ≥ Ck ≥ F (1.11) Giải đồng thời (1.10) (1.11) với số nguyên dương Ck , k=1,2,3 Có thể phân loại robot song song không gian ứng với số bậc tự độ liên kết nêu bảng: - 17 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Bậc tự Số vòng F L Tổng bậc tự khớp ∑f Độ liên kết Ck,k=1,2,3 i 4,4 5,3 6,2 15 5,5,5 6,5,4 6,6,3 22 6,6,5,5 6,6,6,4 29 6,6,6,6,5 36 6,6,6,6,6,6 Số khâu nhánh nhiều tổng tất khớp tự số nối động yêu cầu Số khâu lớn tất khớp khớp bậc tự Hình 1.8 mơ tả số cấu trúc chân Hình 1.8a chân bậc tự Hình 1.8b-e chân bậc tự Hình 1.8f-h chân bậc tự Chú ý, chân hình 1.8e,f h có bậc tự dư, cịn chân hình 1.8g có bậc tự dư Nếu cần nhánh có cấu trúc động học, độ liên kết (4,4),(5,5,5) (6,6,6,6,6,6) cách bố trí thường hay sử dụng cấu song song 2,3 bậc tự - 18 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Bµn má y động Bàn má y động Bàn má y ®éng S R S P R C C R R Giá Giá (a) Giá (b) (c) Bàn má y động Bàn má y động S R S R R R Giá Giá (d) (e) Bàn má y động Bàn má y động S Bàn má y động S S P S C S R S Gi¸ (f) Gi¸ (g) Gi¸ (h) Hình 1.8 Tám kiểu chân hay sử dụng 1.5 kết cấu Robot song song RPS Trong đề tài, u cầu tính tốn mơ số Robot song song RPS, thường thiết kế để mang phôi gia công lắp đặt bàn gá phơi máy phay Ba chân với chiều dài thay đổi điều khiển động dẫn động cho bệ di động mang phôi chuyển động theo quĩ đạo xác định trước Hai đầu chân liên kết với đế cố định bệ di động khớp cầu Ưu điểm loại Robot khối lượng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có bậc tự độ xác cao - 19 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Tất thành phần khí lựa chọn thiết kế nhỏ gọn tốt khe hở theo chiều dọc trục chân, chân điều khiển Robot dẫn động cấu chấp hành tuyến tính Hình 1.9 mơ tả sơ đồ robot : Bµn di ®éng : è ng truợ t : ố ng truợ t : Khớ p quay : Mặt cố định : Khí p cÇu Hình 1.9: Cơ cấu chấp hành song song RPS - Chi tiết : Bàn di động có bậc tự không gian, trường hợp cụ thể phần bề mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay, ) lắp đồ gá phơi (thước chia độ, kẹp phơi gia cơng ) có dạng tam giác (thường tam giác đều) Trên bàn di động lắp đặt loại đồ gá để kẹp chi tiết lắp đặt cụm động - đài dao gia cơng Bàn thiết kế có lỗ, chốt định vị để lắp đồ gá Đồ gá lắp chặt bàn di động bulông - Chi tiết 2: Là phần chit tiết trượt lồng, ống trượt Tất ống trượt có dạng trụ đặc Khớp trượt truyền động cấu chấp hành sử dụng động servo, truyền động cụm cấu trục vít - đai ốc bi Các chân Robot nối với bệ di động đế cố định khớp cầu - Chi tiết : Là phần chi tiết trượt lồng, ống trượt ngồi Tất ống trượt ngồi có dạng hình trụ rỗng - Chi tiết : Khớp quay, nối chân với đế cố định - Chi tiết : Mặt đế cố định, có dạng phẳng trịn Bệ cố định lắp đặt bàn gá chi tiết máy phay lắp đặt cố định vật khác Trên đế cố định có gia công lỗ phục vụ, việc cố định đế bàn gá vật khác bulông Trên đế cố định cịn gia cơng rãnh định vị phục vụ công tác chỉnh, lắp đặt Robot - Chi tiết : Khớp cầu, nối chân với bàn máy di động - 20 - ... tiết mặt phẳng, robot bốn bậc tự đủ - 10 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Hình 1.3: Robot loại Fanuc bậc tự F F B B A A - 11 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Tay máy... nạn 1.5 Phân loại robot song song Một robot song song gọi đối xứng thoả mãn điều kiện sau: - 14 - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại + Số chân số bậc tự bàn máy động + Số khớp loại khớp... - Tổng quan Robot cấu trúc song song phân loại Các cấu cầu có ba bậc tự Do yêu cầu liên kết cấu chấp hành song song cầu giống cấu chấp hành song song phẳng Trong cấu chấp hành liên kết cầu, loại